在单个原子的尺度上，物理学变得奇怪。研究人员正在努力使用量子模拟模拟器来揭示、利用和控制这些奇怪的量子效应——实验室实验涉及对数十到数百个原子进行过冷，并用微调的激光和磁铁探测它们。
科学家们希望，从量子模拟器中获得的任何新理解都将为设计新的奇异材料、更智能、更高效的电子产品和实用的量子计算机提供蓝图。但为了从量子模拟器中获得见解，科学家首先必须信任它们。
也就是说，他们必须确保他们的量子设备具有“高保真度”并准确反映量子行为。例如，如果一个原子系统容易受到外部噪声的影响，研究人员可以在没有量子效应的地方假设量子效应。但到目前为止，还没有可靠的方法来表征量子模拟模拟器的保真度。
在《自然》杂志上发表的一项研究中，麻省理工学院和加州理工学院的物理学家报告了一种新的量子现象：他们发现原子的量子涨落具有一定的随机性，并且这种随机行为表现出一种普遍的、可预测的模式。既随机又可预测的行为听起来像是矛盾的。但研究小组证实，某些随机波动确实可以遵循可预测的统计模式。
更重要的是，研究人员使用这种量子随机性作为表征量子模拟模拟器保真度的工具。他们通过理论和实验表明，他们可以通过分析量子模拟器的随机波动来确定其准确性。
该团队开发了一种新的基准协议，可以应用于现有的量子模拟模拟器，以根据其量子波动模式来衡量其保真度。该协议可以帮助加速新的外来材料和量子计算系统的开发。
“这项工作将允许以非常高的精度表征许多现有的量子设备，”该研究的共同作者，麻省理工学院物理学助理教授Soonwon Choi说。“这也表明，混沌量子系统中的随机性背后有比我们以前想象的更深层次的理论结构。
该研究的作者包括麻省理工学院的研究生Daniel Mark以及加州理工学院，伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校，哈佛大学和加州大学伯克利分校的合作者。
随机进化
这项新研究的动力来自谷歌在2019年的一项进展，研究人员建造了一台名为“Sycamore”的数字量子计算机，可以比经典计算机更快地进行特定计算。
经典计算机中的计算单元是以 0 或 1 形式存在的“位”，而量子计算机中的单元(称为“量子比特”)可以存在于多个状态的叠加态中。当多个量子比特相互作用时，理论上它们可以运行特殊的算法，在比任何经典计算机更短的时间内解决难题。
谷歌研究人员设计了一个超导环路系统，表现为53个量子比特，并表明“计算机”可以执行特定的计算，即使是世界上最快的超级计算机也很难解决。
谷歌也碰巧表明它可以量化系统的保真度。通过随机改变单个量子比特的状态，并将所有53个量子比特的结果状态与量子力学原理的预测进行比较，他们能够测量系统的准确性。
Choi和他的同事们想知道他们是否可以使用类似的随机方法来衡量量子模拟模拟器的保真度。但他们必须清除一个障碍：与谷歌的数字量子系统不同，模拟模拟器中的单个原子和其他量子位非常难以操纵，因此是随机控制的。
但通过一些理论建模，Choi意识到，在谷歌系统中单独操作量子比特的集体效应可以通过简单地让量子比特自然进化，在模拟量子模拟器中重现。
“我们发现我们不必设计这种随机行为，”Choi说。“在没有微调的情况下，我们可以让量子模拟器的自然动力学发展，结果将导致由于混沌而导致类似的随机性模式。
建立信任
举一个极其简化的例子，想象一个由五个量子比特组成的系统。每个量子比特可以同时作为 0 或 1 存在，直到进行测量，然后量子比特进入一种或另一种状态。通过任何一次测量，量子比特都可以采用 32 种不同组合之一：0-0-0-0-0、0-0-0-0-1 等。
“这32种配置将以一定的概率分布发生，人们认为这应该类似于统计物理学的预测，”Choi解释说。“我们表明他们平均同意，但存在偏差和波动，表现出我们不知道的普遍随机性。这种随机性看起来就像你运行谷歌所做的那些随机操作一样。
研究人员假设，如果他们能够开发一种精确代表量子模拟器的动力学和通用随机波动的数值模拟，他们就可以将预测结果与模拟器的实际结果进行比较。两者越接近，量子模拟器必须越精确。
为了验证这个想法，Choi与加州理工学院的实验学家合作，他们设计了一个由25个原子组成的量子模拟模拟器。物理学家在实验中照射激光以集体激发原子，然后让量子比特随着时间的推移自然相互作用和演变。他们在多次运行中测量了每个量子比特的状态，总共收集了10，000个测量值。
Choi及其同事还开发了一个数值模型来表示实验的量子动力学，并结合了他们推导出的方程来预测应该出现的普遍随机波动。然后，研究人员将他们的实验测量结果与模型的预测结果进行了比较，并观察到非常接近的匹配 - 强有力的证据表明这种特殊的模拟器可以被认为是反映纯粹的量子力学行为。
更广泛地说，这些结果展示了一种表征几乎任何现有量子模拟模拟器的新方法。
“表征量子器件的能力形成了一个非常基本的技术工具，可以构建越来越大，更精确和更复杂的量子系统，”Choi说。“使用我们的工具，人们可以知道他们是否正在使用一个值得信赖的系统。